گاهی به پیچ‌وخم‌های رواج سوخت هیدروژنی

تصویر هیدروژن بزن روشن شی!

اما از آنجا که قیمت بنزین به ثبات رسیده بود، به‌منظور پیدا کردن راه‌حلی برای سوخت هیدروژنی که جای بنزین را بگیرد، اقدامات جدی صورت نگرفت. با این حال این مرکز کم‌و‌بیش در این زمینه فعالیت کرد و پنج دهه بعد به نتایجی دست یافت.

مشکلات فراوان پیش‌رو

مشکلی که در مورد اقتصاد هیدروژنی وجود دارد این است که این ماده به شکل اولیه خود در جهان هستی به وفور یافت می‌شود؛ اما روی زمین، به شکل خالص خود بندرت دیده می‌شود. در حقیقت هیدروژن روی زمین در ترکیب با مواد دیگر وجود دارد و پیش از استفاده باید ابتدا آن را استخراج کنیم. از طرفی بنابه گفته برخی کارشناسان، هیدروژن، وسیله‌ای برای ذخیره‌سازی انرژی است و سوخت محسوب نمی‌شود. در واقع هیدروژن انرژی‌های غیرقابل ذخیره‌سازی مانند الکتریسیته را به‌شکلی تبدیل می‌کند که بتوان ذخیره یا جابه‌جا کرد. از هیدروژن تولید شده به روش‌های مختلف می‌توان استفاده کرد. می‌توان آن را با اکسیژن ترکیب و برای تولید الکتریسیته، درون یک پیل سوختی ذخیره کرد و در هر وسیله‌ای که به برق نیاز دارد، به کار برد. از سوزاندن هیدروژن می‌توان حرارت تولید کرد یا با فشرده‌سازی آن درون یک حفره، پیستونی را به حرکت درآورد. برای استفاده در کود، آن را به آمونیاک تبدیل کرد یا موتور موشکی را به حرکت واداشت.

هنگام مقایسه هیدروژن و بنزین باید گفت، بنزین را می‌توان به صورت مایع در یک فضای بدون فشار ذخیره کرد و البته مانند هیدروژن چندان انفجاری نیست. اما بنزین از نظر شیمیایی، ماده‌ای پیچیده است. بنزین به احتراق کامل نمی‌رسد و در ضمن محصولات جانبی بسیاری از خود به جای می‌گذارد و باعث خفه شدن ماشین‌آلات می‌شود. این سوخت برای استفاده در خودرو مناسب است؛ اما توربین‌های موتور جت به سوختی نیاز دارند که ایمن، پاک و ارزان بوده و در عین حال قدرت بسیاری برای موتور جت فراهم کند. از بنزین می‌توان برای سوخت موشک استفاده کرد، اما به‌دلیل مشکلاتی که به بار می‌آورد، مانند محصولات جانبی ناخواسته، استفاده از آن چندان فایده‌ای ندارد. بنابراین اینجا هیدروژن به‌عنوان سوختی مناسب مطرح می‌شود.

روش هیدروژن 2/0

به‌دلیل تغییرات آب‌و‌هوا در قرن حاضر، توجه‌ها به سمت اقتصاد هیدروژنی رفته است. در ضمن از آنجا که عبارت اثر کربن هر روز به دلیلی به کار برده می‌شود، مهندسان بار دیگر به سراغ امکان تولید سوخت پاک هیدروژنی رفتند. تولید پیل سوختی هیدروژنی در دهه 1370/ 1990، جهش بسیاری داشت و همچنین در اولین دهه هزاره فعلی، بسیاری از خودروسازان همچون هوندا، فورد، نیسان در سال 2002 و چند سال بعد، مرسدس و شورولت، نمونه‌هایی از خودروهای با پیل سوختی هیدروژنی تولید کردند. در برخی کشورها نیز مانند استرالیا (شهر پرت)، سرویس‌های اتوبوس شهری با استفاده از پیل سوختی، به‌صورت آزمایشی آغاز به‌کار کرد. اما مشکل مربوط به هزینه درخصوص هیدروژن هنوز به قوت خود باقی است.

هیدروژن ماده اصلی تولید آمونیاک است که برای تولید کود در کشاورزی مدرن ـ که برای تامین غذای کافی به آن وابسته هستیم ـ به‌کار می‌رود. اما درحال حاضر، تولید هیدروژن آن گونه که تصور می‌کنیم، پاک و با محیط‌زیست سبز، سازگار نیست. هیدروژن با تبدیل گاز طبیعی به اجزای سازنده‌اش، گازهای دی‌اکسیدکربن و هیدورژن تولید می‌شود. در واقع در برابر هر دو مولکول هیدروژن، یک مولکول دی‌اکسیدکربن به‌ وجود می‌آید. این روش تولید رایج هیدروژن، وضعیت گازهای گلخانه‌ای را بدتر می‌کند. در نتیجه وجود هیدروژن فقط هنگام تولید غذا توجیه‌شدنی است. اما نمی‌توان از آن به‌عنوان جایگزین مناسبی برای بنزین و سوخت خودروها یاد کرد.

آب و نور خورشید

استفاده از نور خورشید برای تجزیه آب به مولکول‌های تشکیل‌دهنده‌اش اکسیژن و هیدروژن، سوخت هیدروژنی پاک و سبزی در اختیارمان قرار می‌دهد. تولید هیدروژن سبز به مراتب سریع‌تر از هیدروژن قهوه‌ای است که از سوخت‌های فسیلی تولید می‌شود. در ضمن با استفاده از تکنیک نور و آب، می‌توان هرکجا و در هر محل که هیدروژن لازم است، تولیدش کرد.

وقتی به تمام فرصت‌های خوبی که هیدروژن به‌عنوان سوخت می‌تواند در اختیار انسان قرار دهد، توجه کنیم می‌توانیم تلاش متخصصان برای تولید هیدروژن پاک را درک کنیم. محققان دیگر در استرالیا به‌طور تصادفی متوجه شدند چگونه می‌توانند از هوای مرطوب و بخار آبی که در اتمسفر وجود دارد، هیدروژن تولید کنند. آنها با افزودن ماده‌ای به نام مولیبدن ـ سولفید به رنگ نقاشی ساختمان و ترکیب آن با ذرات اکسیدتیتانیوم توانستند رنگی ابداع کنند که نورخورشید را جذب کرده و با استفاده از انرژی خورشیدی و رطوبت هوا، سوخت هیدروژنی تولید کنند. مولیبدن ـ سولفید، رطوبت هوا را جذب کرده و رنگ نقاشی ساختمان با استفاده از انرژی خورشیدی بویژه نورفرابنفش، آب را به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌کند. البته این روش مشکلاتی دارد؛ به‌طور مثال مولیبدن ـ سولفید بیش از حد توان رنگ نقاشی برای تجزیه، رطوبت جذب می‌کند و مشکل دیگر یافتن روشی کامل برای جمع‌آوری هیدروژن تولیدشده است.

محققان غیر از روش‌های فوق، تکنیک‌های دیگری برای تولید هیدروژن پاک و ذخیره‌سازی آن بررسی و مورد آزمایش قرار می‌دهند و تقریبا همه آنها مطمئن هستند تا 20 سال آینده با تولید هیدروژن می‌توان از شر باتری‌ها خلاص شد. لیتیوم و دیگر مواد مورد استفاده در باتری‌ها به‌طور کلی خطرناک هستند و استخراج آنها نیز بسیار مخرب است. اما تولید هیدروژن، پاک و آسان‌تر است. این مسیری است که به نظر می‌رسد در آینده‌ای نه‌چندان دور پیش روی ما خواهد بود.

شروع نویدبخش

جان باکریس، مشاور جنرال موتورز و استاد دانشگاه آدلاید، نظریه اقتصاد هیدروژنی خود را سال 1351/ 1972 تکمیل کرد و در مورد آن چنین توضیح داد که رآکتورهای اتمی روی سکوهای شناور در آب نگهداری می‌شوند. این رآکتورها برای تولید حرارت به اندازه کافی در عمق آب قرار می‌گیرند و سپس الکتریسیته تولیدی آنها به‌وسیله الکترولیز به اکسیژن و هیدروژن تبدیل می‌شود. سپس هیدروژن با استفاده از لوله‌ها به ایستگاه‌های توزیع و بعد به کارخانه و خانه‌ها ارسال می‌شود.

هیدروژن در محل با استفاده از پیل‌های سوختی دوباره به الکتریسیته تبدیل شده و تنها محصول جانبی این فرآیند نیز آب خالص است. سوخت هیدروژنی در زمانی که منابع سوخت فسیلی در حال پایان یافتن هستند و همچنین برای برطرف کردن مشکلات زیست‌محیطی دنیا، راه‌حل مناسبی است.

استفاده دیگری از نانو

خرداد 96، محققان استرالیایی به روش بهتری برای تولید هیدروژن دست یافتند. این محققان الکترودهایی از جنس فوم را با ورقه‌های فوق‌العاده نازک و در حد نانو، مواد پیچیده فلز-آلی متخلخل را روکش کردند و هر زمان‌که جریان برق از این الکترودها عبور می‌کرد، آب را به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌کرد. از طرفی محققان دانشگاه رایس در تگزاس با به‌کارگیری گرافن تحریک‌شده با لیزر به تجزیه آب پرداختند.

تولید هیدروژن پاک

فرض کنید بتوان با استفاده از سیستم کاتالیزوری و برق تولید شده از انرژی باد یا خورشید، آب را به اکسیژن و هیدروژن که در این حالت کاملا تجدیدپذیر باشد، تبدیل کرد. این هیدروژن وقتی در پیل سوختی به کار برده شود، بدون تولید هیچ نوع آلودگی دوباره به آب تبدیل می‌شود. در واقع آب به اجزای تشکیل‌دهنده خود، یعنی هیدروژن و اکسیژن تبدیل شده و سپس هیدروژن و اکسیژن به شکل اولیه خود، یعنی آب درمی‌آید. اما در این حالت روش ذخیره هیدروژن مطرح می‌شود و این که چگونه می‌توان هیدروژن تولید شده از مزارع باتری ـ مانند آنچه تسلا اکنون در حال ساخت در جنوب استرالیاست ـ ذخیره کرد. درحقیقت انرژی اضافی تولید شده را نمی‌توان ذخیره‌کرد و هرگاه هیدروژن زیادی تولید شود، هدر می‌رود و نمی‌توان آن را برای زمانی‌ حفظ کرد که بار انرژی کم است. البته تسلا استفاده از تسهیلات تلمبه‌ای ذخیره‌ای را به‌عنوان راه‌ حل ارائه می‌کند. در این روش، از برق مازاد به‌منظور حرکت دادن آب به سطحی بالاتر استفاده می‌شود و هر زمان برق لازم بود، با سامانه هیدروالکتریسیته (برق ـ آبی)، آب به سطح قبلی برگردانده می‌شود.

حتی با وجود این نوع سیستم، این نوع ذخیره‌سازی‌ها بویژه در زمینه حمل‌ونقل محدودیت دارند. برق تولیدی به شبکه وابسته است و نمی‌توان آن را در سیستم‌های غیرشبکه‌ای استفاده کرد و در واقع در مدار بسته‌ای قرار دارد.

اما هیدروژن را می‌توان از شبکه‌ای که در آن تولید می‌شود، جابه‌جا کرد و به جایی که نیاز است، انتقال داد. می‌توان تولید اضافی را ذخیره کرد و تا وقتی به شارژ دوباره نیاز داشته باشد (مثلا ماه‌ها و حتی سال‌ها) آن شبکه را شارژ کرد. با استفاده از سیستم هیدروژنی می‌توان تمام برق تلف‌شده را دوباره به هیدروژن تبدیل و ذخیره کرد و به فروش رساند. اگرچه کارشناسان در زمینه تولید و ذخیره انرژی شکست خورده‌اند، اما اکنون با جدیت بیشتری به این مقوله توجه می‌کنند تا تکنیک‌های بهتری برای تولید هیدروژن بیابند.